JP2012204540A

JP2012204540A - 半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP2012204540A
Application number: JP2011066651A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Akiyama; 和博秋山; Hideki Sakurai; 秀樹櫻井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2012-10-22
Also published as: US20120241753A1

Abstract

【課題】本発明の実施形態は、表面に凹凸を加工した基板上に、低転位で均一な窒化物半導体層を形成できる半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体装置は、主面上に凹凸構造が設けられた基板と、前記主面の全面に設けられ、ｐ型不純物およびｎ型不純物の少なくともいずれかがドープされた、多結晶および非晶質の少なくともいずれかである窒化物層と、前記窒化物層の上に設けられた窒化物半導体層と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置およびその製造方法に関する。

窒化物半導体を材料とするＬＥＤにおいては、ＬＥＤの特性を向上させるためには、発光層を含む積層体の転位密度を低減し、発光層の平坦性を向上させることが重要である。

しかしながら、窒化物半導体は、サファイア基板もしくはＳｉＣ基板など、窒化物半導体とは異なる格子定数を有する基板上に成長される。このため、成長層と基板との間の格子定数の差に起因する転位が発生し易く、結晶層の表面を均一にすることも難しい。

特開２００１−２６７６９２号公報

本発明の実施形態は、表面に凹凸を加工した基板上に、低転位で均一な窒化物半導体層を形成できる半導体装置およびその製造方法を提供する。

実施形態に係る半導体装置は、主面上に凹凸構造が設けられた基板と、前記主面の全面に設けられ、ｐ型不純物およびｎ型不純物の少なくともいずれかがドープされた、多結晶および非晶質の少なくともいずれかである窒化物層と、前記窒化物層の上に設けられた窒化物半導体層と、を備える。

一実施形態に係る半導体装置の断面を示す模式図である。一実施形態に係る半導体層の成長過程を示す模式断面図である。一実施形態に係る半導体層の成長シーケンスを示すタイムチャートである。一実施形態に係る不純物濃度と表面欠陥の数を示すグラフである。一実施形態に係る半導体層と不純物濃度との関係を示す模式断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。

図１は、実施形態に係る半導体装置１００の断面構造を示す模式図である。図１（ａ）は、半導体装置１００の全体の断面を示し、図１（ｂ）は、基板２とバッファ層４との界面近傍における部分断面を示している。半導体装置１００は、例えば、ＧａＮ系窒化物半導体を材料とする青色ＬＥＤである。

図１（ａ）に示すように、半導体装置１００は、サファイア基板２と、ＧａＮバッファ層４と、を備えている。サファイア基板２の主面２ａには、例えば、深さ数１０ｎｍ〜数μｍの凹凸構造が加工されている。

そして、図１（ｂ）に示すように、サファイア基板２とＧａＮバッファ層４との間には、ＧａＮバッファ層４よりも低温で形成された所謂低温バッファ層３が設けられている。低温バッファ層３には、ｐ型不純物およびｎ型不純物の少なくともいずれかがドープされている。そして、低温バッファ層３は、非晶質または多結晶、もしくは、非晶質と多結晶が混在する層である。

なお、ｐ型不純物およびｎ型不純物とは、窒化物層である低温バッファ層３を半導体層とした場合に、ｐ型もしくはｎ型の導電性を示すようにドープされる不純物である。

サファイア基板２に設けられた凹凸構造は、例えば、主面２ａを選択的にエッチングし、複数の凸部と、それを囲む連続した底面２ｂと、を有する構成に設けることができる。また、主面２ａに複数の凹部が離間してエッチングされた構成でも良い。

図１（ｂ）に示すように、低温バッファ層３は、凹凸構造の凸部の高さあるいは、凹凸構造の凹部の深さよりも薄い。そして、低温バッファ層３は、凹凸構造の形状に沿って、上面（主面）２ａ、側面２ｃおよび底面２ｂを均一に覆うように設けられる。低温バッファ層３の上に設けられたＧａＮバッファ層４の上には、ｎ型ＧａＮ層５、発光層７およびｐ型ＧａＮ層９を含む積層体１０が設けられる。さらに、ｐ型ＧａＮ層９の上にｐ電極１１が設けられ、積層体１０をメサエッチングして露出させたｎ型ＧａＮ層５の上にｎ電極１３が設けられる。

発光層７は、例えば、複数のＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ井戸層とＧａＮ障壁層とを積層したＭＱＷ(Multi-Quantum Well)構造を含んでいる。そして、半導体装置１００は、ｐ電極１１からｎ電極１３へ駆動電流を流すことにより、青色の光を発光することができる。

図２（ａ）および（ｂ）は、半導体装置１００の製造工程の一部である、窒化物半導体層の成長過程を示す模式断面図である。

図２（ａ）に示すように、窒化物層である低温バッファ層３は、例えば、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて、サファイア基板２の主面２ａの上に成長することができる。

サファイア基板の主面２ａに設けられる凹凸構造は、例えば、レジスト膜をマスクとしたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて形成することができる。ＲＩＥでは、サファイア基板およびレジスト膜の両方がエッチングされるため、図２（ａ）に示すように、凹凸構造の側面２ｃが傾いた形状に形成される。例えば、ＲＩＥの条件およびレジスト膜の材質を選択することにより、凹凸構造の傾きθを、０＜θ≦９０°の範囲で任意に制御することが可能である。本実施形態では、例えば、θを約６０°とする。

低温バッファ層３は、例えば、ＩｎおよびＧａ、Ａｌのうちの少なくとも１つを含む窒化物層である。Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される組成、もしくは、それに近い混合比を有する窒化物であっても良い。

低温バッファ層３の原料ガスとして、例えば、トリメチルインジウム(ＴＭＩ)、トリメチルガリウム(ＴＭＧ)、およびトリメチルアルミニウム(ＴＭＡ)のうちの少なくとも１つ以上のIII族ガスと、アンモニアガス(ＮＨ３)と、を用いることができる。そして、サファイア基板２の凹凸構造の表面において、ｐ型不純物もしくはｎ型不純物を取り込んだ化学反応が生じることにより、これら原料ガスに含まれる元素Ｉｎ、Ｇａ、ＡｌおよびＮの拡散が促進され、凹凸構造の上面２ａおよび底面２ｂ、側面２ｃの上に均一な低温バッファ層３が形成される。
例えば、ｐ型不純物としてＭｇおよびＺｎの少なくともいずれか、ｎ型不純物としてＳｉを用いることができる。

図２（ａ）に示すように、低温バッファ層３は、凹凸構造の形状に沿って均一に設けられ、例えば、１０ｎｍ〜８０ｎｍの厚さとすることができる。
ここで、均一とは、凹凸構造に沿って形成された低温バッファ層３の厚さが同じという意味に限定されず、凹凸構造の上面２ａ、底面２ｂおよび側面２ｃに形成された低温バッファ層３の厚さの違いが極端でないこと、例えば、１つの凸部における上面２ａ、側面２ｃおよび底面２ｂに形成された厚さのうちの、最も厚い部分を基準として厚さの違いが３０％以内にあるような状態を言う。

次に、図２（ｂ）に示すように、低温バッファ層３の上に、窒化物半導体層であるＧａＮバッファ層４を成長する。

ＧａＮバッファ層４は、サファイア基板２の凹凸構造を埋め込んで、平坦な表面となるように設けられる。ＧａＮバッファ層４の厚さは、例えば、１〜５μｍとすることができる。

図２に示すように、ＧａＮバッファ層４には、低温バッファ層３から表面に達する貫通転位４ａや、低温バッファ層３の表面を起点としてＧａＮバッファ層の内部でつながった転位４ｂが生じる。このような転位は、例えば、ＳＥＭ（scanning electron microscope）もしくはＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）を用いて観察することができる。

貫通転位４ａは、ＧａＮバッファ層４の表面にピット４ｃとして表れ、ＧａＮバッファ層４の上に形成される積層体１０の内部に生じる転位の起点となる。一方、内部でつながった転位４ｂは表面に現出することはなく、ＧａＮバッファ層４の表面は、結晶欠陥の無い状態となる。すなわち、貫通転位４ａを減少させることにより、ＧａＮバッファ層４の上に形成される積層体１０の転位を減少させることができる。

前述したように、低温バッファ層３は、非晶質または多結晶、もしくは、その両方が混合した層であり、決まった面方位を有しない。さらに、不純物をドープすることにより、例えば、ＭｇＧａＮのような組成を含んでいる。このため、凹凸構造の形状に沿って均一に形成された低温バッファ層３の上に、例えば、ＧａＮバッファ層４を形成する際には、凹凸構造の側面２ｃから水平方向にＧａＮの成長が促進される、所謂ラテラル成長（Lateral growth）が支配的となる。

すなわち、ＧａＮバッファ層４の成長初期には、凹凸構造の側面２ｃから水平方向にＧａＮが成長して凹凸構造を埋め込み、その後上方に向かってＧａＮ層が成長する。この結果、成長初期において、隣り合う凹凸構造の側面から水平方向に伸びる転位が相互に合体し、図２（ｂ）中に示す転位４ｂが形成される。このため、上方に向かって伸びるＧａＮの成長時には、サファイア基板２とＧａＮとの間の格子不整合に起因する転位が減少し、ＧａＮバッファ層４の表面に達する貫通転位４ａを少なくすることができる。

さらに、不純物を取り込んだ化合物、例えば、ＭｇＧａＮが含まれることにより、格子不整合が緩和され、成長初期の転位を低減させる効果もある。そして、貫通転位４ａに対応するピット４ｃが減少することにより、ＧａＮバッファ層４の上に形成される積層体１０の転位を低減することが可能となる。

図３は、本実施形態に係る半導体層の成長シーケンスを例示するタイムチャートである。サファイア基板２の上に、低温バッファ層３として低温ＧａＮ層を成長し、低温バッファ層３の上にＧａＮバッファ層４を成長する例を示している。図３（ａ）は、横軸に成長時間、縦軸に基板温度を示している。図３（ｂ）および（ｃ）は、縦軸にＮＨ_３およびＴＭＧの流量をそれぞれ示したタイムチャートである。そして、図３（ｄ）は、縦軸にドーピングガスＣｐ_２Ｍｇの流量を示したタイムチャートである。

図３（ａ）に示すように、サファイア基板２は、例えば、水素雰囲気中で１０００〜１２００℃の基板温度Ｔ_Ｈに加熱され熱処理される。これにより、サファイア基板２の表面を清浄化することができる。続いて、サファイア基板２の温度を低温バッファ層３の成長温度Ｔ_Ｇ１に冷却する（ｔ＝ｔ_１）。そして、低温バッファ層３の成長を完了した後、サファイア基板２は、高温バッファ層であるＧａＮバッファ層４の成長温度Ｔ_Ｇ２に加熱される（ｔ＝ｔ_４）。例えば、Ｔ_Ｇ１は、４００〜７００℃の範囲、Ｔ_Ｇ２は、７００〜１２００℃の範囲に設定することができる。

図３（ｂ）に示すように、サファイア基板２の温度を上記の温度サイクルで制御している間、ＮＨ_３を一定の流量で供給する。

まず、サファイア基板２を熱処理した後、低温バッファ層の成長温度Ｔ_Ｇ１に冷却する（ｔ＝ｔ_１）。そして、図３（ｃ）および（ｄ）に示すように、所定の流量のＴＭＧとドーピングガスＣｐ_２Ｍｇとを、所定時間（ｔ_２〜ｔ_３）供給する。そして、サファイア基板２の表面においてＴＭＧとＮＨ_３とを反応させ、ｐ型不純物であるＭｇをドープした低温ＧａＮ層を形成する。

続いて、一定の時間間隔（ｔ_３〜ｔ_５）をおいて反応室内のＴＭＧおよびＣｐ_２Ｍｇを排気する。その間、サファイア基板２をＴ_Ｇ２に加熱し（ｔ＝ｔ_４）、その後、図３（ｄ）に示すように、ＴＭＧを供給してＮＨ_３と反応させる（ｔ＝ｔ_５）。これにより、低温バッファ層３（低温ＧａＮ層）の上にＧａＮバッファ層４を形成することができる。

例えば、凹凸構造の側面の傾きθが６０°のサファイア基板２に、Ｔ_Ｈ＝１２００℃、Ｔ_Ｇ１＝６００℃として、厚さ４０ｎｍの低温バッファ層３を形成した後、Ｔ_Ｇ２＝１２００℃の条件で、約５μｍのＭｇドープされたＧａＮバッファ層４を形成する。

図４は、低温バッファ層３にドープされた不純物の濃度と、ＧａＮバッファ層４の表面におけるピットの数を例示したグラフである。

ｐ型不純物としてＭｇおよびＺｎをそれぞれドープした場合、ｎ型不純物としてＳｉをドープした場合の結果を示している。いずれの場合も、ＧａＮバッファ層４の表面のピット数は極少値を有し、不純物濃度が高くなるにしたがってピット数は極少値まで減少し、その後、増加する傾向を示している。すなわち、ＧａＮバッファ層４の表面におけるピット数を低減するために、不純物濃度を最適化できる。すなわち、ＧａＮバッファ層４の表面におけるピット数を低減するために、不純物濃度を最適化できる。例えば、Ｍｇをドープする場合には、濃度を１〜６ｘ１０^１７ｃｍ^−３とすることにより、ＧａＮバッファ層４のピット数を低減することができる。

図５は、サファイア基板２の上に形成された低温バッファ層３の形状を示す模式断面図である。図５（ａ）は、図４においてピット数が減少する不純物濃度の低い状態に対応し、図５（ｂ）は、ピット数が極少となる状態に対応する。図５（ｃ）は、不純物をさらに高濃度にドープした状態に対応する。

図５（ａ）に示すように、不純物の濃度が低い場合には、サファイア基板２の凹凸構造の側面２ｃにおける低温バッファ３ａの厚さが薄くなる。このため、低温バッファ層３ａの厚い上面２ａおよび底面２ｂからの成長が支配的となり、ラテラル成長による転位４ｂの形成が少なく貫通転位４ａが多いままである。図５（ｂ）に示すように、ピット数が極少となる状態では、凹凸構造の形状に沿った均一な低温バッファ層３ｂが形成され、ラテラル成長が支配的となって貫通転位４ａが極小となる。

一方、図５（ｃ）に示すように、不純物を高濃度にドープすると、低温バッファ層３ｃは、凹凸構造の底面２ｂに厚く形成される。このため、凹凸構造の深さが浅くなり、ラテラル成長により形成される転位４ｂが減少し、ＧａＮバッファ層４の表面に向かう貫通転位４ａが増えるものと考えられる。

このように、ドープされた不純物濃度に依存して、低温バッファ層３の形状が変化し、それに伴ってＧａＮバッファ層４の表面に生じるピット数が変化する。言い換えれば、図５は、不純物のドープ量を制御することにより、凹凸構造の上に形成される低温バッファ層の形状を制御し、低温バッファ層３の上に形成される窒化物半導体層の転位を低減することが可能である。

さらに、本実施形態によれば、ピット数の低減に加えて、ＧａＮバッファ層４の表面平坦性を向上させることができる。すなわち、ラテラル成長により、凹凸構造が成長初期に埋め込まれ、その後、上方に向かう成長が行われる。さらに、貫通転位を減少させることができるため、表面の平坦性が向上する。

これにより、ＧａＮバッファ層４の上に形成した積層体１０を備える半導体装置１００（ＬＥＤ）の特性を向上させることが可能となる。例えば、光出力を向上させ、基板面内における発光波長分布を改善することができる。

上記の実施形態では、半導体装置としてＬＥＤを例として説明したが、本発明の実施態様は、ＬＥＤに限られる訳ではなく、半導体レーザ、および、電子デバイス等の半導体装置に適用することも可能である。なお、本実施形態に係る窒化物半導体の成長は、ＭＯＣＶＤ法に限られる訳ではなく、ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法またはＨＶＰＥ(Hydride Vapour Phase Epitaxy)法などを用いることもできる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

なお、本願明細書において、「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）のIII−Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎ（窒素）に加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。またさらに、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

２・・・サファイア基板、２ａ・・・上面（主面）、２ｂ・・・底面、２ｃ・・・側面、３、３ａ、３ｂ、３ｃ、２３・・・低温バッファ層、４、２４・・・ＧａＮバッファ層、４ａ、２４ａ・・・貫通転位、４ｂ・・・転位、４ｃ、２４ｃ・・・ピット、５・・・ｎ型ＧａＮ層、７・・・発光層、９・・・ｐ型ＧａＮ層、１０・・・積層体、１１・・・ｐ電極、１３・・・ｎ電極、１００・・・半導体装置

Claims

主面上に凹凸構造が設けられた基板と、
前記主面の全面に設けられ、ｐ型不純物およびｎ型不純物の少なくともいずれかがドープされた、多結晶および非晶質の少なくともいずれかである窒化物層と、
前記窒化物層の上に設けられた窒化物半導体層と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
前記窒化物層は、前記凹凸構造の形状に沿って均一に設けられたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記窒化物層は、ＡｌおよびＩｎ、Ｇａのうちの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
前記窒化物層にドープされた前記ｐ型不純物は、ＭｇおよびＺｎのうちの少なくともいずれかであり、
前記ｎ型不純物は、Ｓｉであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
主面上に凹凸構造が設けられた基板と、前記主面の全面に設けられた窒化物層と、前記窒化物層の上に設けられた窒化物半導体層と、を有する半導体装置の製造方法であって、
前記主面上に、前記窒化物半導体層の成長温度よりも低い温度で、ｐ型不純物およびｎ型不純物の少なくともいずれかをドープした前記窒化物層を成長することを特徴とする半導体装置の製造方法。